基于激光投射的侧气囊静态展开测试方法研究

杨欣霖，卢文明，蒋智鹏

(中汽研汽车检验中心(天津)有限公司，天津 300000)

0 引言

在汽车碰撞安全性能开发中，安全气囊作为主要的乘员安全保护约束系统零部件，在汽车发生碰撞时对车内乘员安全保护方面起着举足轻重的作用。气囊点爆后的展开特性直接影响着乘员的头、胸伤害指标[1]。因此，对安全气囊进行匹配、研究安全气囊展开后的各项性能，是各大汽车生产厂商对汽车安全气囊开发的关注重点，也是气囊供应商的主要工作之一。侧面气囊(SAB)主要集成在座椅背靠近车门一侧的侧面，在碰撞发生时从侧面向前方展开形成缓冲。根据保护部位不同主要分为保护乘员胸部的胸部气囊，兼顾乘员胸部、腹部、髋部保护的胸臀一体式气囊和兼顾乘员胸部、头部保护的头胸一体式气囊[2]。侧气囊静态展开性能研究是侧气囊开发过程中关注重点之一。侧气囊静态展开试验是侧气囊静态展开性能研究的有效途径。

1 侧面安全气囊(SAB)静态展开试验分析

1.1 侧面安全气囊(SAB)静态展开试验标准分析

在GB/T 19949.2—2005的第6条中指出，对性能试验中的静态展开试验要记录气袋的充气时间及气袋罩盖开始打开的时间，或进行高速摄影。要求：在静态展开试验过程中或之后，不能有任何气囊模块碎片打到一个正常坐姿的乘员身上，在静态展开试验中，与正常坐姿的乘员相接触的气袋表面部分不能破裂或燃烧，其他部分允许有直径小于3 mm的破裂小洞。气袋撕裂缝处应该保持完好无损。经处置的及未处置的气囊模块的充气时间应在所定义的误差范围内(具体误差大小由气囊类型决定)[3]。

侧气囊(SAB)静态展开试验一般分为常温静态展开、高温静态展开、低温静态展开试验3种。不同企业标准对侧气囊静态展开试验要求会有些许不同。相关标准要求如下：

(1)温度要求：侧面安全气囊(SAB)试验温度常温点爆一般要求试验温度为(23±5)℃、高温点爆试验温度一般要求为(85±2.5)℃或(75±2)℃、低温点爆试验温度一般要求为(-35+5/-2.5)℃或(-30±2)℃。一些标准要求试验相关所有零部件要在恒温室内相应温度下至少存储4 h以后才能进行静态点爆试验。同时为更好地监控试验部件内部的温度，SAE J 1630—2011《Airbag Module Deployment Test Procedure》标准要求在气囊内部增加温度传感器以用于进行温度实时检测，气囊内温度达到相应试验温度后才能进行点爆试验[4]。

(2)方法要求：侧面气囊一般分为箱内点爆和箱外点爆两种，箱内点爆要求将试验样件放在高低温环境箱内进行环境处理,处理达到环境温度要求后在环境箱内进行点爆试验，箱外点爆要求环境处理完成5 min内在环境箱外面进行点爆试验。点爆过程中要在气囊侧面增加透明玻璃挡板，已用于模拟车辆侧门和B柱，透明挡板距座椅外侧距离与相关车型设计相匹配。要求在玻璃挡板上标记出气囊展开到+Z向最大位置、-Z向最大位置、X向最大位置，以便于对气囊展开性能进行检测。同时一些标准要求在气囊常温点爆过程中增加相应假人，并在透明挡板表面标记假人侧面投影，以便进行气囊展开性能检测。点爆过程中用分辨率不低于1 000 帧/s高速摄像进行记录，图像要求至少正面和侧面两个角度摄录。

(3)性能要求：①气囊沿撕裂线打开，不允许有任何对乘员造成伤害的硬质飞出物产生，允许有质量小于3 g的软质飞出物产生；②气袋不允许翻转到座椅靠背后面；③气袋表面无破损，允许有直径不超过3 mm的小孔产生；④气囊展开时间应满足设计值要求，一般标准要求试验过程中记录气囊冲破面罩时间、气囊展开到X向最大时间、气囊展开到-Z向最大时间、气囊展开到+Z向最大时间、气囊展开到最大时间。同时一些标准中要求气囊展开过程中需记录气囊冲破面罩时间、气囊展开到胸部时间、气囊展开到肩部时间、气囊完全展开时间。

1.2 现行侧面安全气囊静态展开试验方法存在问题

目前，在现行的试验方法当中对气囊展开时间还无法通过试验仪器进行测得，而是由试验人员通过高速摄像记录画面进行评判。在这一评判过程当中，受外界因素的影响非常大，例如高速摄像角度不同得到评判结果会存在差异，不同试验人员对同一试验进行评判，也存在试验结果不同的风险，最终可能导致误判。气囊静态展开时间参数的准确性，对气囊系统开发至关重要，因此确定一种新的测量方法，能够准确得出气囊静态展开时间，减少人为因素的干扰非常重要。

2 基于激光投射的侧气囊(SAB)静态展开试验方法研究

从前文分析可知，在侧面气囊静态展开试验中，在气囊展开时间的判断过程中，存在着人为因素的干扰，同一试验不同测试人员对展开时间进行评价结果可能会不尽相同，由于气囊静态展开时间的性能参数对气囊系统的开发尤为重要，若气囊提前展开在发生交通事故时不但对乘员起不到保护的作用，反而会因为气囊起爆后的巨大压力对人员造成伤害。若气囊延后展开在发生交通事故的同时不能对乘员起到很好的保护，反而很有可能造成人员的二次伤害。因此文中提出一种新的试验方法：基于激光投射的侧气囊(SAB)静态展开试验方法，排除人为因素的干扰，提高了气囊静态展开时间参数评价准确性，并在侧面安全气囊试验中进行了验证。

2.1 激光投射侧气囊(SAB)静态展开试验平台开发

激光投射侧气囊(SAB)静态展开试验平台主要分为：点爆系统、高低温环境箱、通用座椅安装固定台架、模拟玻璃挡板、激光投射系统、灯光系统、摄像系统。

激光投射系统是由间距为50 mm(间距可调整)激光发射器矩阵组成，激光投射系统布置方案如图1所示，试验过程中激光矩阵垂直投射向气囊气袋，气袋展开过程中气袋表面对激光具有反射作用，由于气囊气袋大多数为白色，白色对激光的反射能力最强，在高速摄像画面中能够清晰分辨气袋表面反射的激光点，从而实现实时监测激光投射到气袋表面的情况，通过气袋表面反射激光点数量和位置能够准确评价气袋展开时间和展开面积。图2为激光投射侧向示意图。试验过程中可根据试验需求设置激光投射面积以及形状着重标记侧气囊展开重点关注位置(例如气囊展开X向最大位置、+Z向最大位置、-Z向最大位置、胸部位置、腹部位置、髋部位置)，以便于准确评测侧气囊展开到所需位置的展开时间及展开形状。试验过程激光实时投射到侧气囊气袋表面，根据高速摄像记录的气袋表面的激光投射反光点能够真实确定气囊气袋展开的形状、面积以及展开时间。避免仅凭视觉观测气囊展开状态来评价气囊展开性能由于视觉差所产生的评价误差。提升侧气囊(SAB)静态展开试验性能评价的准确性。

图1 激光投射系统布置方案

图2 激光矩阵投射侧视图

2.2 基于激光投射系统的侧气囊(SAB)静态展开试验方法研究

激光投射系统，在座椅侧气囊静态展开过程中将激光投射到气袋表面，根据气袋表面反射激光亮点的数量和形状，能够实时反应气囊展开位置，再根据高速摄像记录时间能够准确评测出气囊展开时间。具体试验方法如下：

(1)固定座椅：开发一种通用座椅安装固定台架，能够适用于所有类型座椅的安装，根据座椅安装孔调整固定台架螺纹孔孔距以及安装角度，安装固定试验座椅样件；

(2)调整座椅状态：根据设计要求调整座椅靠背角度、高度、前后距离；

(3)调整玻璃挡板位置：根据座椅最外侧到玻璃挡板的设计值要求，调整玻璃挡板并固定；

(4)调整激光投射位置：玻璃挡板上设置有4个基准点，调整激光投射位置，根据试验要求标记试验所需关注位置(例如X向最大位置、+Z向最大位置、-Z向最大位置、胸部位置、腹部位置、髋部位置)；

(5)调整摄像：调整正向高速摄像位置使其能够正向垂直摄录，调整侧向高速摄像位置使其能够侧向垂直摄录，调节灯光系统呈现正向和侧面两个清晰摄录画面；

(6)设置点爆参数：根据气囊设计值，在点爆系统中设置气囊点爆参数，包含点爆电压、电流、延时时间等；

(7)设置环境处理温度及时间：将试验平台拉入到环境舱内(如有需要架设温度监测传感器)，设置环境温度和处理时间进行环境处理；

(8)点爆试验：环境处理完成根据要求进行点爆试验，高速摄像记录整个气囊展开过程；

(9)性能参数分析：①对气囊飞出物进行收集，称量单个飞出物质量以及全部总质量；②检查气袋表面是否有破损；③检查气囊撕裂线以及连接件状态；④评价气囊展开时间，依据标准要求，根据高速摄像摄录画面，核查投射到气袋表面激光点数量以及位置，依据高速摄像记录时间得出气囊展开时间参数。

2.3 基于激光投射试验平台侧气囊(SAB)静态展开时间评价方法研究

气袋展开过程中，为更加直观核查气袋表面反射激光点情况，将气袋表面反射的激光点标记为红色其他为灰色。根据投射到气袋表面的激光反射点位置以及高速摄像记录时间能够确定气囊展开到特定位置的时间。

2.3.1 气囊展开到+Z向最大位置时间评价方法

依据设计要求激光投射标记气囊+Z向最大位置如图3所示。

图3 气囊展开到+Z向最大位置示意

核查高速摄像记录气囊展开全过程，通过确定气囊气袋表面反射激光的情况确定气囊是否展开到+Z向最大，高速摄像记录画面能够观测到气袋表面首次反射+Z向最大位置标记激光点即为气囊展开到+Z向最大时刻，记录气囊展开到+Z向最大位置时间。

2.3.2 气囊展开到-Z向最大位置时间评价方法

依据设计要求激光投射标记气囊-Z向最大位置如图4所示，核查高速摄像记录气囊展开全过程，通过确定气囊气袋表面反射激光的情况确定气囊是否展开到-Z向最大，高速摄像记录画面能够观测到气袋表面首次反射-Z向最大位置标记激光点即为气囊展开到-Z向最大时刻，记录气囊展开到-Z向最大位置时间。

图4 气囊展开到-Z向最大位置示意

2.3.3 气囊展开到X向最大位置时间评价方法

依据设计要求激光投射标记气囊X向最大位置如图5所示，核查高速摄像记录气囊展开全过程，通过确定气囊气袋表面反射激光点的情况确定气囊是否展开到X向最大，高速摄像记录画面能够观测到气袋表面首次反射X向最大位置标记激光点即为气囊展开到X向最大时刻，记录气囊展开到X向最大位置时间。

图5 气囊展开到X向最大位置示意

3 举例验证

应用激光投射侧气囊(SAB)静态展开试验平台对座椅侧气囊进行点爆试验，具体操作流程为：

(1)安装固定座椅，根据座椅安装孔位置调整固定台架安装螺纹孔间距，对座椅进行安装，如图6所示。

图6 安装固定座椅

(2)调整座椅状态，调节靠背角度及位置，如图7所示。

图7 调节座椅状态

(3)调整玻璃挡板位置，如图8所示。

图8 调整玻璃挡板位置

(4)调整激光投射位置，调整激光基准点垂直投射向玻璃挡板上基准点。

(5)调整摄像及灯光，摄像画面如图9和图10所示。

图9 侧向摄像画面

图10 正向摄像画面

(6)设置点爆参数。

(7)设置环境处理温度及时间，本举例为常温箱外点爆。

(8)点爆试验，高速摄像记录点爆过程 。

(9)性能参数分析

①无硬质飞出物产生，软质飞出物质量为2.32 g；

②气袋表面完好无破损；

③气囊沿着撕裂线展开；

④评价气囊展开时间：展开到+Z向标记位置时间为9 ms(该参数仅为举例说明)，展开到+Z向标记位置如图11所示。

展开到-Z向标记位置时间为7 ms(该参数仅为举例说明)，展开到-Z向标记位置如图12所示。

图11 展开到+Z向标记位置

图12 展开到-Z向位置

展开到X向标记位置时间为8 ms，展开到X向标记位置如图13所示。

图13 展开到X向标记位置

4 结论

文中通过对侧气囊静态展开试验相关标准要求、现行试验方法以及侧气囊静态展开时间评价方法进行解读，指出侧气囊静态展开试验中气囊展开时间的评价仅仅通过人眼去观察判断存在人为因素的影响，进而提出基于激光投射的侧气囊静态展开试验方法和基于激光投射的侧气囊静态展开时间评价方法，同时搭建激光投射侧气囊(SAB)静态展开试验平台。有利于提升侧气囊静态展开试验的检验效率，降低试验成本，减少试验误判。